DE102014108630B4

DE102014108630B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Durchführung optischer Messungen an fluiden Substanzen in Gefäßen mit einer Längsrichtung

Info

Publication number: DE102014108630B4
Application number: DE102014108630.9A
Authority: DE
Inventors: Dr. rer. nat. Janzen Christoph; Reinhard Noll
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-06-18
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2021-07-29
Anticipated expiration: 2034-06-19
Also published as: DE102014108630A1

Abstract

Vorrichtung zur Durchführung optischer Messungen an fluiden Substanzen (2; 20) in Gefäßen mit einer Längsrichtung, insbesondere zylindrischen Gefäßen (1; 19), mitmindestens einer Strahlungsquelle (7, 7', 7", 17, 17', 17"; 26, 30) zum Emittieren von Strahlung,einer ersten Optik (6) zum Einkoppeln der von der Strahlungsquelle (7, 7', 7", 17, 17', 17"; 26, 30) emittierten Strahlung in das Innere eines die zu untersuchende fluide Substanz (2; 20) enthaltenden Gefäßes (1; 19), wobei die erste Optik (6; 22) dazu ausgebildet ist, das Gefäß (1; 19) zu umgeben und die emittierte Strahlung aufzunehmen und so zu führen, dass die Strahlung an mehreren Stellen über den Umfang des Gefäßes (1;19) verteilt in das Gefäß (1;19) gelangt,einer zweiten Optik (12; 32) zum Auffangen einer aus dem Gefäß (1; 19) austretenden Strahlung, wobei die zweite Optik (12;32) in Längsrichtung des Gefäßes (1; 19) versetzt zu der ersten Optik (6;22) angeordnet und dazu ausgebildet ist, das Gefäß (1;19) zu umgeben, undmindestens einer mit der zweiten Optik (12; 32) verbundenen Messeinheit zum Auswerten der aufgefangenen Strahlung.

Description

Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung optischer Messungen an fluiden Substanzen in Gefäßen mit einer Längsrichtung, insbesondere zylindrischen Gefäßen, mit mindestens einer Strahlungsquelle zum Emittieren von Strahlung und mindestens einer Messeinheit zum Auswerten von aus dem Gefäß ausgetretener Strahlung.
Flüssigkeiten werden häufig in zylindrischen Gefäßen wie Rohren, Rohrleitungen, Schläuchen, Flaschen oder Probenröhrchen transportiert oder gelagert. Das Wandmaterial dieser Gefäße ist oftmals für optische Strahlung nicht transparent aber transluzent, d.h. lichtdurchlässig wobei das Licht z.T. abgeschwächt und vielfach gestreut wird. Beispiele sind Glasrohre, Kunststoffrohre, Schläuche aus Polyethylen oder Flaschen und Probenröhrchen. Transluzenz kann ebenfalls auftreten, wenn transparente Gefäßwände aus Glas oder transparentem Kunststoff mit Papier oder Kunststoff beispielsweise in Form von einem oder mehreren Etiketten beklebt oder bedruckt sind. Diese zylindrischen Gefäße besitzen in der Regel über dem Umfang keine gleichbleibenden transluzenten Eigenschaften, weil z.B. das Wandmaterial in seiner Beschaffenheit Inhomogenitäten aufweist oder weil Teile des Umfangs oder der ganze Umfang mit Papier- oder Kunststoffetiketten beklebt sind.
Um Kenngrößen wie z.B. die chemische Zusammensetzung oder physikalische Größen wie Druck, Temperatur, Viskosität, Farbe oder Trübheit der Flüssigkeit der in den zylindrischen Gefäßen befindlichen Substanzen mit optischen Methoden zu ermitteln, muss in der Regel das zylindrische Gefäß mit einem optisch transparenten Zugang versehen werden. Alternativ kann eine Probe entnommen werden, die in ein Analysegefäß, wie beispielsweise eine Küvette, gefüllt und in einer separaten Messeinrichtung optisch analysiert wird. Schließlich ist auch die Verwendung einer Sonde, die in das zylindrische Gefäß eintaucht und eine optische Analyse vornimmt, denkbar.
In vielen Anwendungsfällen kann jedoch weder ein optisch transparenter Zugang zum Inneren des zylindrischen Gefäßes eingerichtet werden, noch ist die Verwendung einer Analysesonde oder die Entnahme von Flüssigkeit möglich oder sinnvoll. In diesen Fällen wäre eine optische Messung der genannten Kenngrößen durch die transluzente Wandung des zylindrischen Gefäßes - einschließlich eventuell an der Außenseite aufgebrachter oder aufgedruckter Etiketten - hindurch notwendig.
Beispiele solcher Anwendungsfälle sind:

• Die inline Messung an Fluiden in einem chemischen Reaktionsprozess, die durch ein Rohr oder einen Schlauch gepumpt werden,
• die Kontrolle von Filtrationsvorgängen in Schläuchen oder Rohren,
• die Klassifikation von Serumtypen in etikettierten Probengefäßen,
• die Untersuchung von Urinproben in etikettierten Probengefäßen,
• die Qualitätskontrolle von Getränken und anderen flüssigen Lebensmitteln in etikettierten Flaschen,
• die Qualitätskontrolle von Arzneimitteln in etikettierten Flaschen,
• die inline Messung fluider Treibstoffe, die durch ein Rohr oder einen Schlauch transportiert werden.

Für diese und weitere Anwendungsfälle wird ein Verfahren benötigt, das die optische Ermittlung der gewünschten chemischen und physikalischen Kenngrößen durch die transluzente Wand hindurch ermöglicht.
Die optische Spektroskopie - insbesondere Reflexions-, Transmissions-, Fluoreszenz- oder Ramanspektroskopie - ist ein bewährtes Verfahren zur Untersuchung und chemischphysikalischen Charakterisierung von Flüssigkeiten, das in vielfältigen analytischen Methoden eingesetzt wird. Üblicherweise wird an der zu untersuchenden Substanz durch einen optisch transparenten Zugang gemessen. Dieser Zugang wechselwirkt in der Regel möglichst wenig mit der anregenden Strahlung und der Messstrahlung.
In der US 2008 / 0 297 769 A1 wird beschrieben, wie Transmissionsmessungen an einem geschlossenen Behältnis, wie beispielsweise einem etikettierten Probenröhrchen, durchgeführt werden können. Die Intensität der gemessenen Strahlung einer Wellenlänge, die durch die Wand des Behältnisses und die darin enthaltene Flüssigkeit durchgegangen ist, wird mit der einer Referenzwellenlänge verglichen, von der bekannt ist, dass sie bei Durchgang durch eine Flüssigkeit bekannter Zusammensetzung keine Abschwächung erfährt.
Die DE 102 21 285 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von Körperflüssigkeiten, wobei die Flüssigkeiten in Probengefäßen mit einer Farbkamera untersucht werden. Die Kamera muss jedoch auf eine Position des Probenröhrchens gerichtet sein, die nicht durch ein Papieretikett abgedeckt ist. Eine Ermittlung der Farbe durch ein Papieretikett hindurch ist nicht möglich. Mittels eines Scanners wird die Lage des Etikettes ermittelt, um dann das Probengefäß mittels eines Hub-Dreh-Greifers in eine Position zu bringen, in der ein Bereich des Probengefäßes der Kamera zugewandt ist, der nicht durch das Etikett abgedeckt ist.
Des Weiteren offenbart die WO 2014/ 183 778 A1 einen Trübungsmesser zum Messen einer Trübung einer flüssigen Probe in einer Probenküvette, der ein Küvettenaufnahmemittel zum Positionieren der Probenküvette in einer definierten Küvettenposition umfasst. Eine Lichtquelle erzeugt einen parallelen Lichtstrahl in der Probenküvette. Ein ringförmiger 45 ° -Sammelspiegel umgibt die Probenküvette. Der ringförmige 45 ° -Sammelspiegel ist konzentrisch zu einem Lichtstrahl angeordnet. Ein zylindrischer Streukörper ist konzentrisch zum ringförmigen 45 ° -Sammelspiegel angeordnet. Ein Streulichtdetektor ist so angeordnet, dass er von einem Streukörper gestreutes Licht empfängt. Ein ringförmiger 45 ° -Fokusierspiegel ist koaxial zum ringförmigen 45 ° -Sammelspiegel angeordnet. Der ringförmige 45 ° Fokusierspiegel umgibt den Streukörper und ist optisch gegenüber dem ringförmigen 45 ° -Sammelspiegel angeordnet.
Die CA 2 820 995 A1 betrifft eine Vorrichtung zur photometrischen bzw. spektrometrischen Untersuchung einer flüssigen Probe, mit einer im Strahlengang zwischen einer Strahlungsquelle und einem Strahlungsdetektor anordenbaren Küvette, welche die zu untersuchende flüssige Probe aufnimmt, mit einem strahlungsdurchlässigen Eintrittsabschnitt zum Einkoppeln einer mittels der Strahlungsquelle erzeugten Strahlung, die mit einem Probenvolumen in Wechselwirkung tritt, und einem strahlungsdurchlässigen Austrittsabschnitt zum Auskoppeln einer zur Erfassung im Strahlungsdetektor vorgesehenen Strahlung. Dabei weist der Eintrittsabschnitt eine derart konvex gekrümmte Eintrittsfläche und/oder der Austrittsabschnitt eine derart sphärisch konvex gekrümmte Austrittsfläche auf, dass die auftreffende Strahlung in der Art einer Sammellinse gebündelt wird.
In der US 7 420 658 B2 wird eine optische Sondenanordnung vorgestellt, die Blut in einem Gefäß umgibt. Diese umfasst LEDs und einen Lichtdetektor, die derart angeordnet sind, dass die Schwankungen beseitigt werden, die entstehen, wenn das Gefäß ein transluzenter medizinischer Schlauch und dergleichen ist. Außerdem wird zur weiteren Verbesserung der Ergebnisse bei der Messung des Hämatokrits ein Signalverarbeitungsalgorithmus zur Mittelung von Signalen mehrerer Lichtdetektoren verwendet. Die Erfindung ermöglicht es, die Hämatokritmessung als Funktion in das Dialysesystem aufzunehmen, ohne das Dialysegerät oder den Transportschlauch wesentlich zu verändern.
Daneben ist aus der Literatur, wie beispielsweise der US 2011 / 0 013 002 A1 das Verfahren des Laser Speckle Contrast Imaging (LSCI) bekannt, das die Ermittlung von Flüssigkeitsbewegungen beispielsweise in Blutgefäßen erlaubt. Dazu werden CCD-Kameras eingesetzt, um Speckle-Muster aufzunehmen. Ein mit der Integrationsdauer der Aufnahme abnehmender Speckle-Kontrast der Bilder lässt Rückschlüsse auf die Bewegung von streuenden Partikeln beispielsweise durch einen Blutstrom zu.
In der Veröffentlichung „Real correlation time measurement in laser speckle contrast analysis using wide exposure time range images‟ von T. Smausz, D. Zölei und B. Hopp in Applied Optics, Vol 48 Nr.8, 1425 (2009) wird ein Experiment beschrieben, in dem Latexpartikel in einer teilweise mit einer transluzenten Teflon-Folie oder einer Papierschicht bedeckten Küvette in Suspension vorliegen. Ein Laser erzeugt ein Speckle-Muster, das von einer Kamera aufgenommen wird. Die statische Streuung an der Teflon-Folie bzw. der Papierschicht überlagert sich mit der dynamischen Streuung an den durch die Brownsche Molekularbewegung bewegten Latexpartikeln. Der Speckle-Kontrast nimmt durch diese Überlagerung mit zunehmender Integrationszeit der Bildaufnahme nicht so stark ab wie an Proben ohne transluzente Wandbedeckung. Das Modell soll einen Blutfluss in einem Blutgefäß simulieren.
In allen Anordnungen des LSCI-Ansatzes befinden sich Laserstrahlquelle und Kamera auf der gleichen Seite des Messobjekts, so dass das Speckle-Muster in Rückstreurichtung erzeugt wird. Die Beobachtung des Speckle-Musters wird nicht mit einer spektroskopischen Analysetechnik verknüpft.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, das eine Durchführung von optischen Messungen an Flüssigkeiten und darin enthaltenen Partikeln in Gefäßen mit intransparenten aber transluzenten Wänden erlaubt, wobei die optischen Eigenschaften des Wandmaterials beispielsweise durch darauf aufgebrachte Etiketten inhomogen sein können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Weiterhin wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ermöglicht die hier vorgeschlagene Vorrichtung die zylindersymmetrische Zuführung einer anregenden optischen Strahlung in das Innere zylindrischer Gefäße, so dass über den Umfang verteilt aus allen Richtungen simultan eingestrahlt wird. Dabei ist der Winkel zwischen der Einstrahlrichtung und der Symmetrieachse des zylindrischen Gefäßes vorzugsweise kleiner als 90 ° zu wählen.
Die transmittierte Strahlung oder auch in der Substanz erzeugte Sekundärstrahlung - beides als Messstrahlung bezeichnet - wird ebenfalls zylindersymmetrisch aufgefangen und an Messvorrichtungen, wie zum Beispiel Detektoren, Kameras und Spektrometer weitergeleitet. Durch die koaxiale Anordnung der zylindrischen Optik für die anregende Strahlung und der zweiten zylindrischen Optik für die Messstrahlung sowie die Wahl des Einstrahlwinkels < 90° und den axialen Versatz beider zylindrischen Optiken wird sichergestellt, dass Strahlung, die nicht in die im Inneren des zylindrischen Gefäßes befindliche Substanz eingedrungen ist, sondern von den Wänden und darauf aufgebrachten Etiketten des Gefäßes reflektiert oder zurückgestreut wurde, nicht detektiert wird.
Indem beide Optiken - für die anregende Strahlung und für die Messstrahlung - zylindersymmetrisch ausgeführt sind, erfolgt eine Mittelung des Messergebnisses über den gesamten Umfang des zylindrischen Gefäßes. Wenn Inhomogenitäten in den optischen Eigenschaften des Wandmaterials vorliegen, wie beispielsweise ein auf eine Flasche geklebtes Etikett, so wird das Messergebnis nicht durch die Drehlage des Gefäßes während der Messung beeinflusst. Dadurch wird die Robustheit der Messung erheblich verbessert. Überdies bietet dieser Ansatz für Vergleichs- und Wiederholungsmessungen einen großen Vorteil. Sofern Teile des Wandmaterials nur wenig Licht passieren lassen, tragen diese Abschnitte zum Messergebnis auch nur wenig bei, weisen Teile der Wand eine höhere Transluzenz auf oder sind gar transparent, so ist der Anteil des hier durchtretenden Lichtes entsprechend höher.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch die Kombination eines spektroskopischen Verfahrens mit einem Streulichtverfahren dabei sowohl Emissions- und Absorptionsverhalten der zu untersuchenden Substanz als auch das Vorliegen streuender Partikel oder Tröpfchen untersucht. Dadurch können sowohl die Konzentration chemischer und biologischer Inhaltsstoffe, z.B. Farbstoffe mit charakteristischem Absorptions-oder Emissionsspektrum, als auch das Vorliegen von Partikeln oder Emulsionen erkannt und quantitativ bestimmt werden.
Die Untersuchung des Streuverhaltens einer Probe wird üblicherweise in einem transparenten Probengefäß, z.B. einer Küvette, durchgeführt. Verursachen die Wände des Probengefäßes selbst eine starke Lichtstreuung, ist die Detektion des Streulichtanteils aus der Probe erwartungsgemäß schwieriger. Daher muss zwischen dem an der Wand gestreuten Licht und dem in der Probe gestreuten Licht unterschieden werden. Diese Unterscheidung gelingt in dem vorgeschlagenen Ansatz durch das unterschiedliche zeitliche Verhalten der beiden Streulichtanteile. Die Streuzentren im Wandmaterial oder darauf aufgebrachter Etiketten, z.B. eine oder mehrere Papierschichten, sind statisch und relativ zueinander unbewegt. Das durch die Beleuchtung mit einer kohärenten Strahlquelle erzeugte Interferenzmuster, auch als Speckle-Muster bezeichnet, das sich durch Überlagerung teilkohärenter Strahlen von verschiedenen Streuzentren ergibt, ist daher ebenfalls statisch. Befinden sich in der zu untersuchenden Substanz im zylindrischen Gefäß kleine Partikel oder Tröpfchen, so stellen diese Streuzentren dar, die aufgrund der Brownschen Molekularbewegung eine Diffusion und damit eine relative Bewegung zueinander aufweisen. Ein dynamisches Speckle-Muster entsteht, das dem statischen Speckle-Muster hervorgerufen durch das Wandmaterial und darauf aufgebrachter Etiketten überlagert wird. Durch Auswertung des Speckle-Kontrastes in Aufnahmen mit verschiedenen Integrationszeiten kann der dynamische Anteil im Speckle-Muster erkannt und entsprechend auf eine Trübung der Probe zurückgeschlossen werden.
Damit die beiden Messverfahren sich nicht gegenseitig beeinflussen erfolgt ihr Einsatz in zeitlich aufeinanderfolgender Weise. Dazu werden in einer ersten Phase eine oder mehrere erste Strahlquellen aktiviert, die breitbandige Strahlung emittieren. Diese wird über die erste zylindrische Optik unter einem Winkel in das zylindrische Gefäß eingekoppelt. Die erzeugte Messstrahlung wird mit einer zweiten zylindrischen Optik empfangen und mit Detektoren und Spektrometern registriert. In diesem Schritt wird z.B. die Farbe der zu untersuchenden Substanz bestimmt.
In einer zweiten Phase werden eine oder mehrere zweite Strahlquellen aktiviert, die eine schmalbandige zumindest teilkohärente Strahlung emittieren. Diese wird über die erste zylindersymmetrische Optik unter einem Winkel in das zylindrische Gefäß eingekoppelt. Die erzeugte Messstrahlung bildet ein Interferenzmuster, das sowohl stationäre Anteile - verursacht durch die Wandung und die Etiketten - enthält als auch dynamische Anteile aufgrund sich bewegender Partikel oder Tröpfchen in der zu untersuchenden Substanz im Inneren des Gefäßes. Diese Messstrahlung wird mit der zweiten zylindrischen Optik erfasst und mit einer oder mehreren Kameras ausgewertet, um aus dem dynamischen Anteil des entstehenden Interferenzmusters z.B. die Trübung der zu untersuchenden Substanz zu ermitteln.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen

1 eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 1 in Strahlausbreitungsrichtung gesehen;
3 eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 1 entgegen der Strahlausbreitungsrichtung gesehen; und
4 eine schematische Schnittansicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel.

Gemäß beiden im Folgenden beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen wird optische Strahlung mit diskreten Wellenlängen und mit breitbandigem Spektrum über eine erste rotationssymmetrische Optik, die allseitig das zylindrische Gefäß mit den zu messenden Substanzen umschließt, in den Innenraum dieses Gefäßes eingekoppelt. Dabei ist der Winkel zwischen der einfallenden anregenden Strahlung und der Symmetrieachse des zylindrischen Gefäßes kleiner als 90°. Die erzeugte Messstrahlung mit der Information über chemische und physikalische Kenngrößen der in dem zylindrischen Gefäß enthaltenen Substanzen wird mit einer zweiten rotationssymmetrischen Optik, die ebenfalls das zylindrische Gefäß umschließt, erfasst. Beide Optiken sind koaxial zueinander und zum zylindrischen Gefäß angeordnet.
Eine oder mehrere Strahlquellen mit diskreten Emissionswellenlängen oder breitbandigem Spektrum werden in die erste Optik eingekoppelt und von dieser so geführt, dass das eingestrahlte Licht aus mehreren Richtungen über den ganzen Umfang des zylindrischen Gefäßes verteilt - d.h. über einen Azimutwinkelbereich von bis zu 360° - in das Innere des zylindrischen Gefäßes gelangt. An der zweiten Optik sind Detektoren zur Aufnahme der transmittierten breitbandigen Strahlung - angekoppelt z.B. über Lichtwellenleiter mit angeschlossenem Spektrometer - und mehrere Detektoren zur Erfassung der Speckle-Muster (Punktdetektoren oder Kameras) angeordnet. Die Detektoren und Lichtwellenleiter sind über den Umfang verteilt angeordnet, um die aus dem zylindrischen Gefäß austretende Messstrahlung aus verschiedenen Richtungen zu erfassen und einer Auswertung zuzuführen. Bei der breitbandigen Strahlung ist dies z.B. die spektral aufgelöste Messung der Transmission, bei der monochromatischen Strahlung die Zeitabhängigkeit des Interferenzkontrasts.
1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung. Im Inneren eines zylindrischen Rohrabschnitts (1) befinden sich Substanzen (2), deren chemische oder physikalische Kenngrößen gemessen werden sollen. Die Rohrwand (3) ist optisch transluzent, d.h. sie lässt einen Teil eines auftreffenden optischen Lichts hindurch und streut dieses. Die Symmetrieachse des zylindrischen Gefäßes wird als z-Achse (4) bezeichnet. Auf dem Umfang des Rohres befinden sich weitere Streukörper wie z.B. Etiketten (5). Diese Etiketten können sich an verschiedenen Axialpositionen (5') und über Teile des Umfangs des Rohres (1) oder auch über den gesamten Umfang des Rohres erstrecken. Teilweise können auch mehrere Lage von Etiketten übereinander liegen und so z.B. abschnittsweise eine Doppellage bilden (5").
Das zylindrische Gefäß ist von einer ersten rotationssymmetrischen Optik (6) konzentrisch umgeben. Die Symmetrieachse dieser Optik ist ebenfalls die z-Achse (4). Die Optik weist eine zentrale zylinderförmige Öffnung auf, durch die das Gefäß (1) hindurchtritt. Das Licht einer ersten Strahlquelle (7) wird durch eine Optik (8) kollimiert, tritt in die zylindrische Optik (6) als Strahlenbündel (9) ein. Dieses Strahlenbündel wird durch eine konische Fläche (10) in Richtung der Symmetrieachse (4) des Rohres (1) abgelenkt (9') und zwar so, dass die Strahlen (9') mit der Symmetrieachse einen Winkel < 90° einschließen. Die konische Fläche ist entweder verspiegelt oder der Einfallswinkel ist größer als der Winkel für Totalreflexion.
Das abgelenkte Strahlenbündel (9') wird im Bereich (11), das ist der Bereich in dem sich ein Teil der transluzenten Rohrwandung befindet und gegebenenfalls auch ein oder mehrere übereinander liegende Etikettenlagen (5, 5'') vorhanden sind, gestreut, so dass ein Strahlenfächer (9'') in das Rohrinnere eintritt und auf die darin befindlichen Substanzen einwirkt. Je nach Mikrostruktur des transluzenten Materials der Rohrwand und des Etiketts oder der Etikettenlagen wird das einfallende Licht unterschiedlich stark gestreut. Für Strukturgrößen > 10 µm und optische Wellenlängen dominiert die Mie-Streuung am Rohrmaterial und am Etikettenmaterial, so dass der Strahlenfächer (9") im Wesentlichen vorwärts gerichtet ist, siehe strichlierte Darstellung in 1.
Koaxial zur ersten Optik (6) befindet sich eine zweite rotationssymmetrische Optik (12), die dazu dient, die Messstrahlung - das ist die Strahlung nach der Wechselwirkung mit den Substanzen (2) im zylindrischen Gefäß (1) oder dort erzeugte Sekundärstrahlung - allseitig aufzufangen. Die Optik (12) ist in axialer Richtung zur Optik (6) versetzt angeordnet. Die Optik (12) befindet sich dabei auf der Seite der Optik (6) in deren Richtung die Strahlenfächer (9") zeigen. Die Optik (12) hat die Funktion, die über dem Umfang des Rohres (1) aus diesem austretende Strahlung zu sammeln, deren Intensität über dem Umfang zu vergleichmäßigen und schließlich verschiedenen Detektoren zuzuführen.
Der Vergleichmäßigung dient beispielsweise eine aufgeraute Oberfläche (13) der zentralen Bohrung in der Optik (12), die dem Rohr (1) zugewandt ist. Die Sammeleffizienz wird weiterhin durch eine Verspiegelung der anderen Außenflächen der Optik (12) - mit Ausnahme der Anschlussstellen für die Lichtwellenleiter (14) und die Kameras (15) - gesteigert.
Die vergleichmäßigte Messstrahlung erreicht so beispielsweise den Lichtwellenleiter (14), der an der Optik (12) angeschlossen ist und die Messstrahlung zu einer Filter-Detektor-Kombination oder zu einem Spektrometer mit Detektoren führt, um Transmissionsspektren zu erhalten (in 1 nicht dargestellt). Aus den Transmissionsspektren wird z.B. die Farbe der Substanzen (2) im Rohr (1) ermittelt.
Weiterhin sind an der Optik (12) Kameras (15) montiert, mit denen der Kontrast von Interferenzerscheinungen bei Verwendung schmalbandiger Strahlquellen als Funktion der Zeit aufgenommen werden kann, um die Anwesenheit sich bewegender Mikropartikel der Substanzen (2) im Rohr zu bestimmen.
Zwischen der Optik (6) und der Optik (12) befindet sich eine Blende (16), die verhindert, dass das Licht des Strahlenbündels (9') direkt in die Optik (12) gelangt ohne mit den Substanzen im Gefäß (1) wechselzuwirken. Diese Blende schließt möglichst dicht an die Oberfläche der Außenseite des zylindrischen Gefäßes (1) an.
2 zeigt eine Ansicht der Vorrichtung parallel zur z-Achse (4'). Mehrere erste Strahlquellen (7, 7', 7") und Kollimationsoptiken (8, 8', 8") sind über den Umfang der Optik (6) verteilt angeordnet. Im gezeigten Beispiel sind es drei Strahlquellen in einem Winkelabstand von jeweils 120°. Diese Strahlquellen sind beispielsweise breitbandige Quellen- wie Halogenlampen oder weiße LED - deren Licht verwendet wird, um Transmissionsspektren der Substanzen (2) im zylindrischen Gefäß (1) zu gewinnen. Die Anzahl der anzuordnenden Strahlquellen hängt vom Durchmesser des zylindrischen Gefäßes (1), den transluzenten Eigenschaften der Wand (3), den Eigenschaften, der Anzahl und der Anordnung der Etiketten (5, 5', 5") ab. Statt drei können so z.B. auch zwei, vier, fünf oder zehn Strahlungsquellen und Kollimationsoptiken gewählt werden, die über den Umfang verteilt angeordnet sind.
Weiterhin zeigt 2 zweite Strahlquellen (17, 17', 17''), die über dem Umfang der Optik (6) verteilt angeordnet sind, deren Emissionsspektrum schmalbandig ist und die kohärente Strahlung emittieren, wie z.B. Laserdioden. Deren Strahlung wird über Optiken (18, 18', 18") kollimiert und ebenfalls in die Optik (6) parallel zur z-Achse (4) eingekoppelt. Für die Strahlen der zweiten Quellen (17, 17', 17") gilt bezüglich des reflektierenden Konus (10) der Optik (6) und der Auffächerung im Bereich (11) das gleiche, wie bereits oben für die Strahlen der ersten Quellen (7, 7', 7") beschrieben.
Die in das zylindrische Gefäß (1) eingetretene Strahlung der zweiten Quellen (17, 17', 17") erzeugt dort kohärente Wellenfelder, in denen sich Streuteilchen der Substanzen (2) bewegen.
Durch die Bewegung der Streuteilchen entsteht ein sich zeitlich veränderndes Interferenzmuster - z.B. auf der Innenseite der Optik (12), auf der Fläche (13) - welches von den Kameras (15, 15', 15''), vgl. 1 und 3, aufgezeichnet wird.
Die Optik (6) ist teilbar aufgebaut, eine beispielhafte Teilungslinie (19) ist in 2 dargestellt. Durch die Teilung kann die Optik (6) auch nachträglich - ohne eine Rohrleitung aufzutrennen - um einen Rohrabschnitt angeordnet werden.
3 zeigt eine Ansicht der Vorrichtung von 1 entgegen der Richtung der z-Achse (4"). Beispielsweise drei Lichtwellenleiter (14, 14', 14") sind über den Umfang verteilt an die Optik (12) angeschlossen und führen die von den Strahlquellen (7, 7', 7") erzeugte Messstrahlung zu Filter-Detektor-Kombinationen oder zu einem oder mehreren Spektrometern, um Transmissionsspektren aufzuzeichnen. Die Anzahl der anzuordnenden Lichtwellenleiter hängt vom Durchmesser des zylindrischen Gefäßes (1), den transluzenten Eigenschaften der Wand (3), den Eigenschaften, der Anzahl und der Anordnung der Etiketten (5, 5', 5") ab. Statt drei können so z.B. auch zwei, vier, fünf oder zehn Lichtwellenleiter gewählt werden, die über den Umfang verteilt angeordnet sind.
Über mindestens eine an die Optik (12) angeschlossene Kamera (15), z.B. drei Kameras (15, 15', 15") wie in 3 dargestellt, wird das durch die Strahlquellen (17, 17', 17") erzeugte Inteferenzmuster aufgezeichnet. Das Interferenzmuster enthält eine stationäre Komponente, die durch die transluzenten Eigenschaften der Rohrwandung (3) und der Etiketten (5, 5', 5") entsteht und eine zeitabhängige Komponente, die aufgrund der Bewegungen mikroskopischer Teilchen der Substanzen (2) im Inneren des zylindrischen Gefäßes (1) hervorgerufen wird. Dieses zeitabhängige Interferenzmuster wird mit bekannten Methoden ausgewertet (Bestimmung des Interferenzkontrasts, Variation der Belichtungsdauer, Korrelationsverfahren, Differenzbildung sukzessiv aufgenommener Bilder etc.). Wird eine zeitabhängige Komponente detektiert, so kann damit das Vorhandensein von Mikropartikeln oder Emulsionskompartimenten in den Substanzen (2) nachgewiesen werden.
4 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung für die Messung an einem zylindrischen Gefäß (19), das ein geschlossenes Ende aufweist. Solche Gefäße sind z.B. Probenröhrchen für Blut-, Serum- oder Urinproben und Flaschen für flüssige Lebensmittel, Arzneistoffe, Brennstoffe oder Treibstoffe. Die Symmetrieachse wird durch die eingezeichnete z-Achse (4) beschrieben. In dem Gefäß befinden sich verschiedene Substanzen (20) deren chemische und physikalische Kenngrößen optisch gemessen werden sollen, ohne das Gefäß in irgendeiner Weise zu verändern. Die Wandung des Gefäßes (21) ist - wie schon zuvor beschrieben - transluzent. Das Gefäß kann mit Etiketten (5) beklebt sein, die einen Teil oder den ganzen Umfang des Gefäßes bedecken. Auch mehrere Lagen von Etiketten (5") können vorkommen, wie dies beispielhaft in 4 für zwei teilweise übereinanderliegende Etiketten gezeigt ist.
Eine rotationssymmetrische Optik (22) hat mindestens eine konische Fläche mit reflektierender Eigenschaft (23, 24, 25). Eine erste Strahlquelle mit breitbandigem Spektrum (26) wird durch eine Optik (27) kollimiert. Das Strahlenbündel passiert einen Strahlvereiniger (28) und tritt in die Optik (22) ein. Dort wird es an den konischen Flächen (23, 24, 25) reflektiert und tritt schließlich unter einem Winkel < 90 ° gegen die z-Achse in das Innere des Gefäßes (19) ein.
Beim Durchtritt der Strahlen durch eine oder mehrere Etikettenlagen (5, 5') sowie durch die Wandung des Gefäßes (21) tritt eine Streuung analog zu derjenigen auf, die schon anhand von 1 (siehe Bezugszeichen (11), (9")) beschrieben wurde. Diese führt zu einer Auffächerung der Strahlen (vgl. (9") in 1). Sie ist zur Vereinfachung in 4 nicht dargestellt. Eine zweite Strahlquelle (30) mit einem schmalbandigen Emissionsspektrum wird über eine Kollimationsoptik (31) im Strahlvereiniger (28) den Strahlen der ersten Strahlquelle (26) kollinear überlagert. Der weitere Strahlweg entspricht im wesentlichem demjenigen der Strahlen der ersten Strahlquelle.
Aufgrund der Strukturgrößen der Etikettenlagen und des Wandungsmaterials tritt vorzugsweise Vorwärtsstreuung auf, so dass das durchstrahlte Volumen im Inneren des Gefäßes (19) sich über das Ende der Optik (22) hinaus in positiver z-Achsenrichtung erstreckt. Eine zweite rotationssymmetrische Optik (32) ist koaxial zur Optik (22) angeordnet und befindet sich auf der Seite der Optik (22) nach der die schräg einfallenden Strahlen (29) zeigen. Zwischen der rotationssymmetrischen Optik (22) und der Optik (32) befindet sich eine Blende (34), die verhindert, dass Lichtstrahlen, die aus der Optik (22) austreten, direkt in die Optik (32) gelangen ohne zuvor mit den Substanzen (20) im Inneren des Gefäßes (19) wechselzuwirken.
Die rotationssymmetrische Optik (32) besitzt eine zentrale Bohrung, so dass das Gefäß durch die Optik (32) hindurchgeht. Die Optik (32) sammelt und vergleichmäßigt die Messstrahlung die aus dem Inneren des Gefäßes (19) kommt, wie zuvor bereits anhand von 1 beschrieben. Vorzugsweise ist dazu die innere zylindrische Fläche der Optik (32) aufgeraut (33). Am Umfang der Optik (32) erreicht die vergleichmäßigte Messstrahlung den Lichtwellenleiter (35), der die Messstrahlung zu einer Filter-Detektor-Kombination oder zu einem Spektrometer mit Detektoren führt, um Transmissionsspektren zu erhalten (in 4 nicht dargestellt).
Um eine Verfälschung des Messergebnisses durch farbige Etiketten auszuschließen, kann in die Optik (22) eine Lichtleiterfaser (37) für eine photometrische Farbmessung des vom Etikett zurückgestreuten Lichtes integriert werden. Vorzugsweise wird in diesem Fall nahezu der gesamte Optik Körper (22) auf der Außenseite verspiegelt. Nur an der Lichteintrittsposition (38), an der Lichtaustrittsposition (39) sowie an der Position der Lichtleiterfaser (37) befindet sich keine Verspiegelung. Der Strahlengang (29) der anregenden breitbandigen Lichtquelle wird so gewählt, dass möglichst wenig Licht in die Faser (37) eintritt. Das diffus von einem Etikett zurückgestreute Licht wird durch die Verspiegelung in der Optik (22) vielfach reflektiert und erreicht so die Lichtleiterfaser (37). Das auf diese Weise gewonnene Spektrum des rückgestreuten Lichts kann zur Korrektur des Transmissionsspektrums der Substanzen (20) verwendet werden.
Die Erfindung ermöglicht die optische Messung chemischer und physikalischer Kenngrößen von Substanzen in zylindrischen Gefäßen mit transluzenten Wänden ohne Entnahme dieser Substanzen und ohne Vorliegen eines optisch transparenten Zugangs zum Inneren des Gefäßes. Die Wandung des zylindrischen Gefäßes einschließlich darauf angebrachter Etiketten kann in ihren optischen Eigenschaften Inhomogenitäten aufweisen ohne dass die Drehlage des Gefäßes einen Einfluss auf das Messergebnis hat.
Die bevorzugte Kombination eines spektroskopischen Messverfahrens mit der Auswertung von durch die Substanzen sich dynamisch verändernden Interferenzmustern, sogenannten Speckle-Mustern, ermöglicht sowohl Aussagen über chemisch-physikalische Eigenschaften der zu untersuchenden Substanzen, wie z.B. das Vorliegen von Strahlung absorbierenden oder emittierenden Konstituenten, als auch Aussagen über das Streuverhalten der Substanzen, wie z.B. bei Emulsionen oder Schwebepartikeln.
Eine Korrektur des Messergebnisses durch eine Farbmessung des von der Gefäßwandung oder den Etikettenlagen zurückgestreuten Lichtes ist möglich.

Claims

Vorrichtung zur Durchführung optischer Messungen an fluiden Substanzen (2; 20) in Gefäßen mit einer Längsrichtung, insbesondere zylindrischen Gefäßen (1; 19), mitmindestens einer Strahlungsquelle (7, 7', 7", 17, 17', 17"; 26, 30) zum Emittieren von Strahlung, einer ersten Optik (6) zum Einkoppeln der von der Strahlungsquelle (7, 7', 7", 17, 17', 17"; 26, 30) emittierten Strahlung in das Innere eines die zu untersuchende fluide Substanz (2; 20) enthaltenden Gefäßes (1; 19), wobei die erste Optik (6; 22) dazu ausgebildet ist, das Gefäß (1; 19) zu umgeben und die emittierte Strahlung aufzunehmen und so zu führen, dass die Strahlung an mehreren Stellen über den Umfang des Gefäßes (1;19) verteilt in das Gefäß (1;19) gelangt, einer zweiten Optik (12; 32) zum Auffangen einer aus dem Gefäß (1; 19) austretenden Strahlung, wobei die zweite Optik (12;32) in Längsrichtung des Gefäßes (1; 19) versetzt zu der ersten Optik (6;22) angeordnet und dazu ausgebildet ist, das Gefäß (1;19) zu umgeben, und mindestens einer mit der zweiten Optik (12; 32) verbundenen Messeinheit zum Auswerten der aufgefangenen Strahlung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste (6; 22) und die zweite Optik (12; 32) rotationssymmetrisch ausgebildet und koaxial zueinander und konzentrisch zu dem Gefäß (1; 19) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der eine Mehrzahl von Strahlungsquellen (7, 7', 7'', 17, 17', 17'') ringförmig um das Gefäß (1;19) herum so angeordnet ist, dass ihre Strahlung vorwiegend in Längsrichtung des Gefäßes (1; 19) in Richtung der ersten Optik (6) emittiert wird und die erste Optik (6) eine durchgehende zylinderförmige Öffnung zur Aufnahme des Gefäßes (1; 19) aufweist, wobei die den Strahlungsquellen (7, 7', 7'', 17, 17', 17'') zugewandte Stirnseite der ersten Optik (6) als Kreisring ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die erste Optik (22) eine nicht durchgehende Öffnung zur Aufnahme des Gefäßes (19) aufweist, wobei die Vorrichtung vorzugsweise so ausgebildet ist, dass eine Strahlung mindestens einer Strahlungsquelle (26, 30) entlang der Symmetrieachse (4) der ersten Optik (22) auf das geschlossene Ende der ersten Optik (22) gerichtet ist, und die erste Optik (22) an ihrem geschlossenen Ende eine zentrale Kreisfläche zum Eintritt der Strahlung in die erste Optik (22) und mindestens eine konische Fläche (23, 24, 25) mit reflektierender Eigenschaft zum Lenken der Strahlung innerhalb der ersten Optik (22) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die erste Optik (6; 22) an ihrem dem Eintritt der Strahlung abgewandten Ende eine konische Fläche (10) aufweist, an der die Strahlung so reflektiert wird, dass sie unter einem Winkel der kleiner als 90 ° gegenüber der Symmetrieachse (4) der ersten Optik (6; 22) ist, in das Innere des Gefäßes eintritt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der die zweite Optik (12; 32) in Strahlrichtung hinter der ersten Optik (6; 22) angeordnet ist und eine durchgehende zylindrische Öffnung zur Aufnahme des Gefäßes (1; 19) aufweist, wobei die zylindrische Öffnung vorzugsweise eine aufgeraute Oberfläche (13; 33) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der über den Umfang der zweiten Optik (12; 32) verteilt eine Mehrzahl von Messeinheiten und/oder von mit Messeinheiten (15, 15', 15") verbundenen Lichtleitern (14, 14', 14''; 35) an die zweite Optik (12; 32) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mindestens eine Strahlungsquelle (7, 7', 7''; 26) dazu ausgebildet ist, breitbandige Strahlung oder Strahlung einer oder mehrerer diskreter Wellenlängen zu emittieren und es sich bei der mindestens einen Messeinheit um ein Spektrometer oder einen oder mehrere Photodetektoren handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die erste Optik (6; 22) einen Lichtleiter (37) zum Auskoppeln von gestreuter Strahlung für eine photometrische Farbmessung aufweist und ein überwiegender Anteil der Außenfläche der ersten Optik (6; 22) verspiegelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die mindestens eine Strahlungsquelle (17, 17', 17''; 30) dazu ausgebildet ist, schmalbandige zumindest teilkohärente Strahlung zu emittieren und es sich bei der mindestens einen Messeinheit um eine Kamera (15, 15', 15'') oder einen Punktdetektor handelt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mindestens eine breitbandige (7, 7', 7''; 26) und mindestens eine schmalbandige zumindest teilkohärente Strahlungsquelle (17, 17', 17''; 30) sowie mindestens ein Spektrometer und mindestens eine Kamera (15, 15', 15'') oder einen Punktdetektor aufweist, wobei die breitbandige (7, 7', 7''; 26) und die schmalbandige Strahlungsquelle (17, 17', 17''; 30) einzeln aktivierbar sind.
Verfahren zur Durchführung optischer Messungen an fluiden Substanzen (2; 20) in Gefäßen (1; 19) mit einer Längsrichtung, insbesondere mit einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, mit folgenden Schritten: Aktivieren mindestens einer Strahlungsquelle (7, 7', 7'', 17, 17', 17''; 26, 30) zum Emittieren einer Strahlung zur Untersuchung der fluiden Substanz (2; 20); Einkoppeln der von der Strahlungsquelle (7, 7', 7'', 17, 17', 17''; 26, 30) emittierten Strahlung in das Innere eines die zu untersuchende fluide Substanz (2; 20) enthaltenden Gefäßes (1; 19) mittels einer ersten Optik (6; 22) derart, dass die Strahlung an mehreren Stellen über den Umfang des Gefäßes (1; 19) verteilt in das Gefäß (1; 19) gelangt; Auffangen von aus dem Gefäß (1; 19) austretender Strahlung von allen Seiten über den Umfang des Gefäßes (1; 19) mittels einer zweiten Optik (12; 32); und Zuführen der mittels der zweiten Optik (12; 32) aufgefangenen Strahlung zu mindestens einer Messeinheit zum Auswerten der Strahlung.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem während einer ersten Zeitspanne zur Durchführung spektroskopischer Messungen eine oder mehrere erste Strahlungsquellen (7, 7', 7''; 26) aktiviert werden, die breitbandige Strahlung emittieren, und mittels der zweiten Optik (12; 32) aufgefangene Strahlung zur Auswertung einem oder mehreren Spektrometern zugeführt wird; und während einer zweiten Zeitspanne zur Untersuchung des Streuverhaltens eine oder mehrere zweite Strahlungsquellen (17, 17', 17"; 30) aktiviert werden, die schmalbandige zumindest teilkohärente Strahlung emittieren und dadurch ein Speckle-Muster erzeugen, das mittels der zweiten Optik (12; 32) aufgefangen und zur Auswertung einer oder mehreren Kameras (15, 15', 15") oder Punktdetektoren zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem aus dem dynamischen Anteil der von der mindestens einen Kamera (15, 15', 15") oder dem mindestens einen Punktdetektor erfassten Daten die Trübung der zu untersuchenden fluiden Substanz (2; 20) ermittelt wird.